Wetenschappers ontwerpen ‘nanotraps’ om coronavirus te vangen en te verwijderen

Onderzoekers van de Pritzker School of Molecular Engineering (PME) aan de Universiteit van Chicago hebben een volledig nieuwe potentiële behandeling voor COVID-19 ontworpen: nanodeeltjes die SARS-CoV-2-virussen in het lichaam vangen en vervolgens het eigen immuunsysteem van het lichaam gebruiken om te vernietigen het.

Deze “Nanotraps” trekken het virus aan door de doelcellen na te bootsen die het virus infecteert. Wanneer het virus zich bindt aan de Nanotraps, sekwestreren de vallen het virus uit andere cellen en richten zich erop voor vernietiging door het immuunsysteem.

In theorie zouden deze Nanotraps ook kunnen worden gebruikt op varianten van het virus, wat in de toekomst zou kunnen leiden tot een mogelijk nieuwe manier om het virus te remmen. Hoewel de therapie nog in de vroege teststadia verkeert, stellen de onderzoekers zich voor dat deze kan worden toegediend via een neusspray als behandeling voor COVID-19.

De resultaten zijn op 19 april in het tijdschrift gepubliceerd Er toe doen.

“Sinds het begin van de pandemie heeft ons onderzoeksteam deze nieuwe manier ontwikkeld om COVID-19 te behandelen”, aldus Asst. Prof. Jun Huang, wiens laboratorium het onderzoek leidde. “We hebben rigoureuze tests uitgevoerd om te bewijzen dat deze Nanotraps werken, en we zijn enthousiast over hun potentieel.”

De perfecte val ontwerpen

Om de Nanotrap te ontwerpen, onderzocht het onderzoeksteam – onder leiding van postdoctoraal onderzoeker Min Chen en afgestudeerde student Jill Rosenberg – het mechanisme dat SARS-CoV-2 gebruikt om zich aan cellen te binden: een spike-achtig eiwit op het oppervlak dat zich ACE2-receptoreiwit.

Om een ​​val te maken die zich op dezelfde manier aan het virus zou binden, ontwierpen ze nanodeeltjes met een hoge dichtheid aan ACE2-eiwitten op hun oppervlak. Evenzo ontwierpen ze andere nanodeeltjes met neutraliserende antilichamen op hun oppervlak. (Deze antilichamen worden in het lichaam aangemaakt wanneer iemand geïnfecteerd is en zijn ontworpen om op verschillende manieren aan het coronavirus vast te houden).

Zowel ACE2-eiwitten als neutraliserende antilichamen zijn gebruikt bij behandelingen voor COVID-19, maar door ze aan nanodeeltjes te hechten, creëerden de onderzoekers een nog robuuster systeem om het virus op te vangen en te elimineren.

De nanodeeltjes zijn gemaakt van door de FDA goedgekeurde polymeren en fosfolipiden en hebben een diameter van ongeveer 500 nanometer – veel kleiner dan een cel. Dat betekent dat de Nanotraps meer gebieden in het lichaam kunnen bereiken en het virus effectiever kunnen vangen.

De onderzoekers testten de veiligheid van het systeem in een muismodel en vonden geen toxiciteit. Vervolgens testten ze de Nanotraps tegen een pseudovirus – een minder krachtig model van een virus dat niet repliceert – in menselijke longcellen in weefselkweekplaten en ontdekten dat ze de toegang tot de cellen volledig blokkeerden.

Toen het pseudovirus zich eenmaal aan het nanodeeltje bond – wat in tests ongeveer 10 minuten na injectie duurde – gebruikten de nanodeeltjes een molecuul dat de macrofagen van het lichaam oproept om de Nanotrap op te slokken en af ​​te breken. Macrofagen eten over het algemeen nanodeeltjes in het lichaam, maar het Nanotrap-molecuul versnelt het proces. De nanodeeltjes werden binnen 48 uur geklaard en afgebroken.

De onderzoekers testten de nanodeeltjes ook met een pseudovirus in een ex vivo longperfusiesysteem – een paar gedoneerde longen dat in leven wordt gehouden met een beademingsapparaat – en ontdekten dat ze de infectie in de longen volledig blokkeerden.

Ze werkten ook samen met onderzoekers van het Argonne National Laboratory om de Nanotraps te testen met een levend virus (in plaats van een pseudovirus) in een in vitro systeem. Ze ontdekten dat hun systeem het virus 10 keer beter remde dan neutraliserende antilichamen of alleen oplosbaar ACE2.

Een mogelijke toekomstige behandeling voor COVID-19 en daarna

Vervolgens hopen de onderzoekers het systeem verder te testen, inclusief meer tests met een levend virus en op de vele virusvarianten.

“Dat is wat zo krachtig is aan deze Nanotrap,” zei Rosenberg. “Het is gemakkelijk te moduleren. We kunnen verschillende antilichamen of eiwitten uitschakelen of ons op verschillende immuuncellen richten, afhankelijk van wat we nodig hebben met nieuwe varianten.”

De Nanotraps kunnen in een standaard vriezer worden bewaard en uiteindelijk via een intranasale spray worden toegediend, waardoor ze direct in het ademhalingssysteem worden geplaatst en het meest effectief zijn.

De onderzoekers zeggen dat het ook mogelijk is om als vaccin te dienen door de Nanotrap-formulering te optimaliseren, waardoor een ultiem therapeutisch systeem voor het virus ontstaat.

“Dit is het startpunt”, zei Huang. “We willen iets doen om de wereld te helpen.”

Bij het onderzoek waren medewerkers van verschillende afdelingen betrokken, waaronder scheikunde, biologie en geneeskunde.